CN112072924B - 一种开关电源装置和模式控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源装置的模式控制方法，包含不对称半桥反激变换器开关检测单元、模式控制单元、输出电压隔离采样单元；模式控制单元根据负载电流信息进行模式判断，确定不对称半桥反激变换器最优工作模式，当负载电流高于一定值时，不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式，当负载电流低于该值时，不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式。本发明通过增加轻载条件下不对称半桥反激变换器主开关工作于硬开通这一模式，有效解决了轻载条件下不对称半桥反激变换器工作于零电压开通模式时单向钳位网络导通损耗大的问题，显著提升了变换器轻载效率，使得在全负载范围内***效率更优。

Description

一种开关电源装置和模式控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源领域，特别涉及不对称半桥反激变换器构成的开关电源装置和模式控制方法。
背景技术
开关电源广泛应用于消费电子、通信、医疗、航空航天等领域，随着软开关技术的发展和各国环保节能标准的推动，开关电源产品的效率逐步提高，并且除注重电源在满载及较重负载时具有效率较高外，也关注电源在较轻负载时具有较高效率。全负载范围内具备较高的效率已经成为电源产品市场竞争力的重要指标之一。
不对称半桥反激变换器的电路拓扑具有易于实现软开关的特点，因此是开关电源高效率应用的研究热点之一。图1所示为采用现有不对称半桥反激变换器构成的开关电源装置的电路框图，包含不对称半桥反激变换器110和控制器120，不对称半桥反激变换器110包含输入电容Cin、主开关Q1和辅开关Q2、谐振电容Cr、变压器112、整流开关D、输出滤波电容Co以及隔离反馈电路113，控制器120通过隔离反馈电路113接收输出电压信息并通过控制主开关Q1和辅开关Q2，将输出调整至期望水平。图2所示为图1所示现有不对称半桥反激开关电源装置模式切换示意图，控制器120控制主开关Q1和辅开关Q2，在输出负载电流大于电流设定值Io3时，使开关电源装置工作于不对称半桥反激模式(AHBF Mode)，在输出负载电流小于电流设定值Io3时，使开关电源装置工作于突发模式(Burst Mode)。目前，不对称半桥反激变换器工作于不对称半桥反激模式(AHBF Mode)时，多使用互补控制方式，即在一个开关周期的某一时刻，若主开关Q1开通则辅开关Q2关断，若主开关Q1关断则辅开关Q2开通，即主开关Q1与辅开关Q2互补导通。
上述开关电源装置的不对称半桥反激变换器的辅开关很容易实现零电压开通，而主开关则需一定的负向励磁电感电流才能实现零电压开通，当功率级参数设计较优时，不对称半桥反激变换器在满载或较重负载时都能实现主开关零电压开通，效率较高。
但在负载减小时，不对称半桥反激变换器的励磁电感的负向电流会增大，超出变换器的主开关实现零电压开通的电流需求，从而在主开关的管体二极管上产生多余的损耗，使得开关电源装置在轻载效率降低。
为解决上述问题，本领域的技术人员提出一种新的开关电源装置。其中，申请号为201911352361.1，发明名称为开关电源装置的中国专利公开了一种开关电源装置，如图3所示，开关电源装置由不对称半桥反激变换器310及控制单元320组成，其通过增加一个与变压器原边并联的单向钳位网络(由二极管Dow和开关管QOW组成)，使得励磁电感的负向电流钳位在适当范围内，使得主开关Q1恰好能实现零电压开通。该开关电源装置工作时的模式切换曲线如图4所示，在负载较重时，开关电源装置工作于效率较优的不对称半桥反激模式(AHBF Mode)；在负载较轻时，开关电源装置工作于效率较优的钳位不对称半桥反激模式(CAHBF Mode)，使得开关电源装置在全负载范围内主开关均实现零电压开通，***效率较优。
当开关电源装置工作于钳位不对称半桥反激模式(CAHBF Mode)时，其波形图如图5所示。其中，VGS1代表输入至主开关管Q1的栅极的驱动脉冲信号的波形图；VGS2代表输入至辅开关管Q2的栅极的驱动脉冲信号的波形图；VGS3代表输入至单向钳位网络的开关管Qow的栅极的驱动脉冲信号的波形图；ILr代表流过电感Lr的电流波形图；ILm代表流过变压器的励磁电感Lm的电流。
根据图4所示的模式切换曲线可知，当负载电流小于一定值时，不对称半桥反激变换器工作于降开关频率的CAHBF模式，负载越轻，则相应的开关频率越低。
当开关频率降到一定程度时，由于单向钳位网络导通时间(对应图5中VGS3的t2-t4时段)较长，且励磁电感Lm的负向电流较大，该励磁电感Lm的负向电流在单向钳位网络中呈现出较大的损耗，该损耗会造成***效率下降。
按照表1所列输入输出规格，设计并制作了采用现有模式切换方案的120W不对称半桥反激变换器实物样机。
表1
输入电压范围 85VAC-264VAC(母线电压范围约为120VDC-370VDC)
输出规格 Vo＝12V、Io＝10A、Po＝120W
开关频率范围 30kHz～300kHz(满载300kHz)
图6为120W样机在230V输入电压和不同负载下的效率曲线，当负载大于7.5A时样机工作于AHBF模式，当负载小于7.5A时样机工作于降开关频率的CAHBF模式，主开关恰好实现零电压开通。通过测试数据可以看出：在负载较重时(大于7.5A)，样机工作于AHBF模式效率较优；在负载相对较轻时(大于4A、小于7.5A)，样机工作于CAHBF模式，效率较优。然而，在负载进一步减轻时(小于4A)，样机工作于CAHBF模式，此时开关频率较低，效率明显下降。
由以上分析和实验结果可知，当负载较轻时，开关频率下降到一定程度，流过单向钳位网络的电流损耗较大，其带来的能量损失对***效率下降产生的影响大于主开关零电压开通对***效率提升的影响，最终造成***效率下降。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种开关电源装置和模式控制方法，能有效解决不对称半桥反激变换器在轻载低频时工作于钳位不对称半桥反激模式(CAHBF Mode)效率不优的问题。
本申请的发明构思为：在现有的钳位不对称半桥反激模式基础上，增加主开关硬开通模式，当负载电流高于一定值时，不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式模式，当负载电流低于该值时(即轻载低频时)，不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式。
本发明提供一种开关电源装置，其包括：不对称半桥反激变换器、开关检测单元以及模式控制单元；
不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络；
开关检测单元与所述主开关连接，开关检测单元用于采集主开关在开通前一时刻的源极电压和漏极电压，以及用于将源极电压和漏极电压进行比较并输出一电平信号；
模式控制单元分别与主开关、辅开关、单向钳位网络以及开关检测单元连接，用于控制主开关、辅开关和单向钳位网络，使得不对称半桥反激变换器工作于某种工作模式；
当负载电流小于第一电流设定值且大于等于第二电流设定值时，模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当负载电流小于第二电流设定值且大于第三电流设定值时，模式控制单元根据开关检测单元输出的电平信号控制辅开关的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式时，主开关导通时主开关的漏源极电压不等于零。
在一个实施例中，开关检测单元具有采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3、采样电阻R4、采样开关K、采样电容C、比较器、D触发器以及受控电流源；比较器的反相输入端通过采样开关K与采样电阻R1和采样电阻R2的连接点连接；比较器的同相输入端与采样电阻R3和采样电阻R4的连接点连接；采样电容C的一端与比较器的反相输入端连接，采样电容C的另一端与地连接；受控电流源与比较器的反相输入端连接；D触发器的输入端与比较器的输出端连接。
在一个实施例中，开关检测单元具有采样电阻R1、采样电阻R2、采样开关K、采样电容C、比较器、D触发器以及受控电流源；比较器的反相输入端通过采样开关K与采样电阻R1和采样电阻R2的连接点连接；比较器的同相输入端与采样电阻R1和采样电阻R2的连接点连接；采样电容C的一端与比较器的反相输入端连接，采样电容C的另一端与地连接；受控电流源与比较器的反相输入端连接；D触发器的输入端与比较器的输出端连接。
在一个实施例中，模式控制单元内设有模式判断单元，当负载电流小于第二电流时，模式判断单元输出电压控制信号，使得受控电流源输出相应的电流，采样电容C通过电流进行放电，使得比较器同相输入端电压大于反相输入端电压。
在一个实施例中，负载电流越低，模式判断单元输出的电压控制信号的电压越高，受控电流源输出相应的电流越大。
在一个实施例中，源极电压和漏极电压进行比较，当主开关的源极电压大于或等于漏极电压时，开关检测单元输出的电平信号为高电平，模式控制单元则以设定的步长逐渐减小辅开关栅极的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器负向电流逐渐减小。
在一个实施例中，当主开关的源极电压小于漏极电压时，开关检测单元输出的电平信号为低电平，模式控制单元则以设定的步长逐渐增加辅开关栅极的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器负向电流逐渐增大。
在一个实施例中，当负载电流低于第三电流设定值时，模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于突发模式。
本发明还提供一种开关电源装置，其包括：不对称半桥反激变换器、开关检测单元以及模式控制单元；
不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络；
开关检测单元与主开关连接，开关检测单元用于采集主开关在开通前一时刻的源极电压和漏极电压，以及用于将源极电压和漏极电压进行比较并输出一电平信号；
模式控制单元分别与主开关、辅开关、单向钳位网络以及开关检测单元连接，用于控制主开关、辅开关和单向钳位网络，使得不对称半桥反激变换器工作于某种工作模式；
当负载反馈电压小于第一阈值电压且大于等于第二阈值电压时，模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当负载反馈电压小于第二阈值电压且大于第三阈值电压时，模式控制单元根据开关检测单元输出的电平信号控制辅开关的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式时，主开关导通时主开关的漏源极电压不等于零。
本发明还提供一种开关电源装置，其包括：不对称半桥反激变换器、开关检测单元以及模式控制单元；
不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络；
模式控制单元分别与主开关、辅开关、单向钳位网络以及开关检测单元连接，用于控制主开关、辅开关和单向钳位网络，使得不对称半桥反激变换器工作于某种工作模式；
当负载电流小于第一电流设定值且大于等于第二电流设定值时，模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当负载电流小于第二电流设定值且大于第三电流设定值时，通过调整开关检测单元的输入电压，使得不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式。
本发明还提供一种开关电源装置的模式控制方法，其包括：
采集负载电流；
采集主开关在开通前一时刻的源极电压和漏极电压，并将源极电压和漏极电压进行比较并根据比较结果输出一电平信号；
根据负载电流控制不对称半桥反激变换器的工作模式；
当负载电流小于第一电流设定值且大于等于第二电流设定值时，控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当负载电流小于第二电流设定值且大于第三电流设定值时，根据电平信号调节辅开关的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式时，主开关导通时主开关的漏源极电压不等于零。
本发明还提供一种开关电源装置，其包括：不对称半桥反激变换器、开关检测单元以及模式控制单元；
不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络；
模式控制单元分别与主开关、辅开关、单向钳位网络以及开关检测单元连接，用于控制主开关、辅开关和单向钳位网络，使得不对称半桥反激变换器工作于某种工作模式；
当负载反馈电压小于第一阈值电压且大于等于第二阈值电压时，模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当负载反馈电压小于第二阈值电压且大于第三阈值电压时，通过调整开关检测单元的输入电压，使得不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式时，主开关导通时主开关的漏源极电压不等于零。
本发明还提供一种开关电源装置，其包括：不对称半桥反激变换器、开关检测单元以及模式控制单元；
不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络；
模式控制单元分别与主开关、辅开关、单向钳位网络以及开关检测单元连接，用于控制主开关、辅开关和单向钳位网络，使得不对称半桥反激变换器工作于某种工作模式；
当主开关的工作频率低于第一频率设定值且大于等于第二频率设定值时，模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式，主开关恰好实现零电压开通；
当工作频率低于第二频率设定值且大于第三频率设定值时，通过调整开关检测单元的输入电压，使得不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，主开关为硬开通；
当工作频率低于第三频率设定值时，控制不对称半桥反激变换器工作于突发模式。
术语解释：
不对称半桥反激模式(英文简称为AHBF Mode)：在一个开关循环周期中，主开关与辅开关互补导通，控制单元控制单向钳位网络始终处于关断状态。
钳位不对称半桥反激模式(英文简称为CAHBF Mode)：在一个开关循环周期中，主开关、辅开关和单向钳位网络交替导通或者关断，具体地，每个循环周期包含五个阶段：励磁阶段、辅开关零电压开通阶段、去磁阶段、电流钳位阶段和主开关零电压开通阶段；在励磁阶段和辅开关零电压开通阶段，单向钳位网络关断；在去磁阶段，辅开关导通，单向钳位网络导通或者关断均可，单向钳位网络没有电流流过；至此阶段结束时刻，励磁电感电流达到设定值，辅开关关断，单向钳位网络处于导通状态，钳位电流流过单向钳位网络；在电流钳位阶段，单向钳位网络导通，钳位电流流过单向钳位网络，至此阶段结束时刻，单向钳位网络关断；在主开关开通阶段，单向钳位网络已被关断，单向钳位网络中的钳位电流被释放，使主开关电压降低，此时控制主开关零电压导通。
主开关硬开通模式(英文简称为CAHBF-HS)：在钳位不对称半桥反激模式下，主开关开通阶段，单向钳位网络被关断，单向钳位网络中的钳位电流被释放，但此状态所钳位的负向电流不足以将主开关结电容电压放电完毕，主开关导通时刻，其漏源极电压不等于零。
本发明的工作原理将结合具体的实施例进行分析，在此不赘述，本发明的有益效果为：在负载较轻的情况下，控制不对称半桥反激变换器由钳位不对称半桥反激模式进入主开关硬开通模式，从而减小单向钳位网络能量消耗，进一步提高***轻载效率。
附图说明
图1现有不对称半桥反激开关电源装置电路框图；
图2现有不对称半桥反激开关电源装置模式切换示意图；
图3为中国专利201911352361.1的开关电源装置电路框图；
图4为中国专利201911352361.1的开关电源装置模式切换示意图；
图5为现有不对称半桥反激变换器工作于低频CAHBF模式的波形；
图6为采用现有模式切换方案的120W不对称半桥反激变换器样机不同负载下效率曲线；
图7为本发明第一实施例开关电源装置中的不对称半桥反激变换器的等效电路图；
图8为本发明第一实施例开关电源装置的电路示意图；
图9为本发明第一实施例中开关检测单元与不对称半桥反激变换器的连接示意图；
图10为本发明第一实施例不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式的波形；
图11为本发明第一实施例不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式的波形；
图12为本发明第一实施例开关电源装置的模式切换示意图；
图13为采用本发明第一实施例模式切换方案和采用现有模式切换方案的120W不对称半桥反激变换器实物样机的效率对比曲线；
图14为本发明第二实施例开关检测单元与不对称半桥反激变换器的连接示意图。
具体实施方式
为了使本发明更加清楚明白，以下将结合附图及具体实施例，对现有技术方案及本发明技术方案进行更加清楚、完整地描述。
第一实施例
图8所示为本发明一种开关电源装置的电路示意图，开关电源装置包括不对称半桥反激变换器(以下简称为变换器)、开关检测单元ZE、输出电压隔离采样单元VD以及模式控制单元，其中，模式控制单元内设有模式判断单元MT以及脉冲宽度控制单元PW。
变换器包含主开关Q1和辅开关Q2、谐振电容Cr、单向钳位网络、变压器Tr、二极管D以及输出电容Co。单向钳位网络由二极管D3和钳位开关Q3组成。
模式判断单元MT的输入端VIO用于输入负载电流信息，模式判断单元MT的输出端Vbias与开关检测单元ZE的输入端V4电联接。模式判断单元MT主要用于根据负载电流的大小进行模式判断，确定变换器最优的工作模式，并通过输出端Vbias输出相应的电压控制信号以实现模式切换。
具体的，模式判断单元MT的输出端Vbias输出的电压控制信号的大小与模式判断单元MT的输入端VIO输入的负载电流成反比关系，负载电流越小，输出端Vbias输出的电压越大。
当负载电流大于某个设定值时，输出端Vbias电压为零，变换器工作于软开关模式；当负载电流低于该设定值时，输出端Vbias电压与负载电流成反比例关系，变换器工作于硬开关模式。
请参考图8-图9，开关检测单元具有输入端V1、V2、V3、V4、输出端V5、采样电阻R1～R4、采样开关K、采样电容C、比较器、D触发器以及受控电流源Ibias。
开关检测单元ZE的输入端V1与主开关Q1的漏极连接；输入端V2与主开关Q1的源极连接；输入端V4与模式判断单元MT的输出端Vbias电联接；输出端V5与脉冲宽度控制单元PW的输入端Vc电联接；输人端V3与脉冲宽度控制单元PW的输出GQ1电联接。开关检测单元ZE用于采集主开关Q1在开通前一时刻其源极电压和漏极电压，以及用于将源极电压和漏极电压进行比较，并根据比较结果一电平信号，当主开关的源极电压大于或等于漏极电压时，开关检测单元输出的电平信号为高电平，当主开关的源极电压小于漏极电压时，开关检测单元输出的电平信号为低电平。
在本实施例中，开关检测单元ZE由采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3、采样电阻R4、采样开关K、采样电容C、比较器、D触发器以及受控电流源Ibias组成。
采样电阻R1的一端为输入端V1，输入端V1分别连接输入电压Vin和主开关Q1的漏极，采样电阻R1的另一端分别连接采样电阻R2的一端及采样开关K的一端；采样电阻R2的另一端接地；采样开关K的另一端分别与采样电容C的一端，受控电流源Ibias的一端以及比较器的反相输入端连接。
采样电阻R3的一端为输入端V2，输入端V2与主开关Q1的源极连接，采样电阻R3的另一端分别连接采样电阻R4的一端及比较器的同相输入端，采样电阻R4的另一端接地。本实施例中，采样电阻R1与采样电阻R2比值等于采样电阻R3与采样电阻R4比值。
比较器的反相输入端输入的电压为主开关Q1漏极电压经采样电阻R1、R2分压后的电压V-，也即为采样电容C两端电压；比较器的同相输入端输入的电压为主开关Q1的源极电压经采样电阻R3、R4分压后的电压V+。比较器用于将电压V-和电压V+进行比较，当电压V+大于或等于电压V-时，比较器输出高电平；当电压V+小于电压V-时，比较器输出低电平。
D触发器输入端与比较器的输出端连接，D触发器的输出端V5为开关检测单元ZE的输出端V5。模式控制单元输出的驱动信号GQ1与主开关Q1的驱动同步，其作为采样开关K和D触发器的时钟驱动信号。
脉冲宽度控制单元PW设有输入端VC、负载电流信息输入端IO，输入端FB、输出端GQ1、输出端GQ2和输出端GQ3。
脉冲宽度控制单元PW的输入端Vc与开关检测单元ZE的输出端V5电联接；负载电流信息IO反应当前负载情况，输入端FB和输出电压隔离采用单元VD电联接；输出端GQ1分别与主开关管Q1的栅极和开关检测单元ZE的输入端V3电联接；输出端GQ2与辅开关Q2的栅极电联接；输出端GQ3与单向钳位网络的开关管Q3的栅极电联接。
脉冲宽度控制单元PW用于根据负载电流的大小，输出驱动脉冲至主开关Q1的栅极、辅开关Q2的栅极以及单向钳位网络的钳位开关Q3的栅极，以控制主开关Q1、辅开关Q2以及单向钳位网络的开关Q3导通或关断，以实现模式切换。
输出端GQ1输出的驱动脉冲Vgs1波形对应图10中的Vgs1波形；输出端GQ2输出的驱动脉冲Vgs2的波形对应图10中的Vgs2的波形；输出端GQ3输出的驱动脉冲Vgs3的波形对应图10中的Vgs3的波形。
输出电压隔离采样单元ZD设有两个输入端和一个输出端，两个输入端分别与变换器的输出滤波电容C0的正极和负极连接，一个输出端与通过脉冲宽度控制单元的输入端FB连接，用于采集输出电压隔离反馈信号，以用于控制输出稳定的电压。
本发明模式控制单元可根据负载电流大小，控制主开关、辅开关和单向钳位网络，使得变换器工作于某种工作模式，当负载电流小于第一电流设定值且大于等于第二电流设定值时，模式控制单元控制变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当负载电流小于第二电流设定值且大于第三电流设定值时，模式控制单元根据开关检测单元输出的电平信号调节辅开关的驱动脉冲的宽度，使得变换器工作于主开关硬开通模式，变换器工作于主开关硬开通模式时，主开关导通时主开关漏源极电压不等于零；
当负载电流低于第三电流设定值时，模式控制单元控制变换器工作于突发模式。
模式控制单元控制变换器工作于钳位不对称半桥反激模式时的工作原理如下：
请参考图7、图10，图10为本发明变换器工作于钳位不对称半桥反激模式的典型工作波形图，变换器工作在钳位不对称半桥反激模式时，每个循环周期包含五个阶段：励磁阶段，辅开关零电压开通阶段，去磁阶段，电流钳位阶段，主开关零电压开通阶段。现结合图7对每个循环周期(从t0时刻起至t5时刻止，记为T)所述的五个阶段进行说明，具体如下：
励磁阶段：从t0时刻起至t1时刻止，控制主开关Q1导通，输入电压Vin向谐振电容Cr、谐振电感Lr和励磁电感Lm充电，励磁电感电流ILm和谐振电感电流ILr线性上升，即输入电压Vin给变压器励磁。此阶段驱动脉冲Vgs3为低电平，单向钳位网络Q3关断，不起作用。至t1时刻，Vgs1由高电平变为低电平，控制主开关Q1关断，此过程中整流开关D处于关断状态，变压器Tr不对外传递能量，输入电能存储在变压器Tr中。
辅开关零电压开通阶段：从t1时刻起至t2时刻止，控制主开关Q1关断，电容C1、电容C2、谐振电感Lr和励磁电感Lm形成串联谐振，谐振电感电流ILr给电容C1充电、电容C2放电，使得电容C1两端的电压VC1上升、电容C2两端的电压VC2下降，至电容C2放电完毕，VC2降为零，二极管D2自然导通，谐振电感电流ILr流过二极管D2，与此同时，由于输出电压的反射，励磁电感Lm两端的电压被钳位至NVo(N为变压器原边和副边的匝比)，副边整流开关D导通，谐振电感Lr与谐振电容Cr发生谐振，存储在变压器Tr中的电能开始向副边转移，至t2时刻，驱动脉冲Vgs2为高电平，控制辅开关Q2导通，辅开关Q2实现零电压开通。
去磁阶段：从t2时刻起至t3时刻止，控制辅开关Q2导通，主开关Q1继续关断，整流开关D导通，整流开关D的电流ID增加，励磁电感Lm两端的电压被钳位，电压上负下正，励磁电感电流ILm线性减小，变压器去磁。同时，谐振电感Lr与谐振电容Cr发生谐振，谐振电感电流ILr快速反相增大，谐振电感电流ILr由正变为零，并很快从零变为负，整流开关D仍然导通，变压器Tr继续释放电能，t3时刻，励磁电感电流达到设定值时，控制辅开关Q2关断。去磁阶段过程驱动脉冲Vgs3为高电平，增加的单向钳位网络Q3导通，单向钳位网络Q3的开通时刻可以是t2至t3之间的任意时刻(即t2至t3之间单向钳位网络Q3导通与关断均可)，由于单向钳位网络Q3只允许电流从其阳极流到阴极，故此过程中单向钳位网络Q3中并没有电流流过。
电流钳位阶段：从t3时刻起至t4时刻止，t3时刻，辅开关Q2关断，单向钳位网络Q3继续导通，电容C1、电容C2、谐振电容Cr和谐振电感Lr形成串联谐振，谐振电感电流ILr为负，并迅速同相增大，给电容C1放电、电容C2充电，使得电容C1两端的电压下降、电容C2两端的电压上升，当电容C2两端的电压上升至与谐振电容Cr的电压相同时，单向钳位网络Q3阳极电压为零，励磁电感电流ILm和谐振电感电流ILr相等，整流开关D关断，励磁电感电流ILm(或称钳位电流)自然通过单向钳位网络Q3阳极流向阴极，单向钳位网络Q3保持钳位电流基本不变，至t4时刻，驱动脉冲Vgs3变为低电平，单向钳位网络Q3关断。
主开关零电压开通阶段：从t4时刻起至t5时刻止，t4时刻单向钳位网络Q3关断，主开关Q1和辅开关Q2保持关断状态，单向钳位网络Q3钳位并维持的钳位电流被释放，并给电容C1继续放电、给电容C2继续充电，电容C1两端的电压继续下降，电容C2两端电压继续上升；当电容C1两端电压下降到零，钳位电流开始流过二极管D1，t5时刻，驱动脉冲Vgs1变为高电平，主开关Q1导通，主开关Q1实现零电压开通。
变换器工作在钳位不对称半桥反激模式时，模式控制单元会通过开关检测单元ZE检测主开关Q的源极电压和漏极电压，进而调节主开关Q1零电压开通的深度。具体工作过程如下：
控制受控电流源Ibias不作用，通过开关检测单元ZE检测主开关Q的源极电压和漏极电压，当开关检测单元ZE输出高电平时，模式控制单元以设定的步长逐渐减小辅开关Q2栅极的驱动脉冲Vgs2的宽度，使得变换器负向电流逐渐减小，主开关Q1的源漏极电压Vds在Q1开启前下降速度逐渐减小，主开关Q1源极电压(即Vsw点电压)上升速度逐渐减小。
经过若干周期后，使得在主开关Q1开启时刻，其漏源极电压Vds还未下降到零电压，即此时刻主开关Q1的源极电压略小于其漏极电压，即主开关Q1实现了临界软开关状态，此时，比较器同相输入端电压V+略小于反相输入端电压V-，开关检测单元ZE输出低电平。
当开关检测单元ZE输出低电平时，模式控制单元则以设定的步长逐渐增加辅开关Q2栅极的驱动脉冲Vgs2的宽度，使得变换器负向电流逐渐变大，主开关Q1的源漏极电压Vds在Q1开启前下降速度逐渐变大，若干周期后，使得在Q1开启时刻，其源漏极电压Vds电压重新下降到零电压，主开关Q1的源极电压重新等于漏极电压，主开关Q1重新回到软开关状态。受此模式控制单元动态调节作用，使得在主开关Q1开启时刻，其源极电压始终接近漏极电压，比较器同相输入端的电压V+始终接近反相输入端的电压V-，主开关Q1的源极电压Vsw与漏极电压基本相等，可认为主开关Q1恰好实现ZVS。
图11为本发明第一实施例的变换器工作于主开关硬开通模式的典型工作波形图，变换器工作于主开关硬开通模式与工作于钳位不对称半桥反激模式的区别在于：变换器工作于硬开通模式时，辅开关Q2的导通时长小于变换器工作于钳位不对称半桥反激模式时辅开关Q2的导通时长(即变换器工作于硬开通模式时，辅开关Q2的驱动脉冲Vgs2的宽度小于工作于不对称半桥反激模式时辅开关Q2的驱动脉冲Vgs2的宽度)，且主开关Q导通时刻，其漏源极电压不等于零。
以下结合图8和图9详细介绍从钳位不对称半桥反激模式切换至主开关硬开通模式的工作原理。
当负载电流低于某一值时，模式判断单元MT的输出端Vbias输出相应的电压控制信号，输出端Vbia输出的电压控制信号对受控电流源Ibias进行控制，使得受控电流源Ibias输出相应的电流，通过该电流对比较器反相输入端所接的采样电容C进行放电，此时比较器反相端所反映的输入电压低于真实的输入电压，会使得比较器的同相输入端输入的电压V+大于反相输入端输入的电压V-，开关检测单元ZE输出高电平，模式控制单元以设定的步长逐渐减小辅开关Q2栅极的驱动脉冲Vgs2的宽度，使得变换器负向电流逐渐减小，主开关Q1的源漏极电压Vds电压在主开关Q1开启前下降速度逐渐减小，即Vsw点电压上升速度逐渐减小，若干周期后，使得在主开关Q1开启时刻，主开关Q1源极电压远小于漏极电压，主开关Q1切换为硬开关状态，而此时比较器同相输入端的电压V+小于反相输入端的电压V-，开关检测单元ZE输出低电平，模式控制单元以设定的步长逐渐增加辅开关Q2栅极的驱动脉冲Vgs2的宽度，使得变换器负向电流逐渐变大，主开关Q1的源漏极电压Vds电压在主开关Q1开启前下降速度逐渐变大，即在主开关Q1开启时刻，Vsw点电压逐渐变大，使得比较器同相输入端输入的电压V+逐渐增加到接近比较器反相输入端输入的电压V-，由于比较器反相输入端输入的电压V-反映的输入电压低于真实的输入电压，当比较器同相输入端输入的电压V+始终靠近反相输入端的输入电压V-时，Vsw点电压始终远小于主开关Q1漏极电压，即在主开关Q1导通前，其源极电压小于漏极电压，即实现主开关Q1硬开通。
由上可知，模式控制单元通过调节辅开关Q2栅极的驱动脉冲Vgs2的宽度，对比较器的同相输入端和反相输入端的输入电压进行调整，也即，通过通过调整所述开关检测单元的比较器的输入电压，使得变换器工作于主开关硬开通模式。
变换器工作于主开关硬开通模式时，变换器的负向电流值远小于变换器工作于钳位不对称半桥反激模式的负向电流值，由于负向电流值减少，从而使得流过单向钳位网络的电流减小，单向钳位网络的损耗降低，进而提高***效率。
较优的，当负载电流越低时，输出端Vbias输出的电压越高，相应的受控电流源Ibias输出的电流越大，比较器反相端的电压越低，主开关Q1导通前漏源极电压差越大，主开关Q1实现硬开关的程度更深。
变换器工作于突发模式(Busrt模式)时，***工作频率随着负载的减轻而降低，当频率降低到20K附近的时候如果还要继续减小开关损耗和降低静态功耗，***进入Busrt模式，***功率开关根据负载情况连续工作几个周期再停歇几个周期。在功率开关工作时的每个循环阶段和主开关硬开通模式相同，这里不再赘述，在功率开关停歇时***处于停机状态，输出能量靠输出电容Co提供。
以下按照表2所列输入输出规格，设计并制作了本发明模式切换方案的120W不对称半桥反激变换器实物样机。
表2
输入电压范围 85VAC-264VAC(母线电压范围约为120VDC-370VDC)
输出规格 Vo＝12V、Io＝10A、Po＝120W
开关频率范围 30kHz～300kHz(满载300kHz)
图13为采用本发明模式切换方案的120W不对称半桥反激变换器实物样机与采用现有模式切换方案的120W不对称半桥反激变换器实物样机的效率对比曲线，可以看到：两种方案的样机在较重负载时效率相同；在较轻负载时，本发明模式切换方案的样机效率高于采用现有模式切换方案的样机。采用本发明模式切换方案后，变换器轻载效率明显提高，全负载范围内效率均在90％以上，变换器***效率更优。
应当指出，本发明实施例所述的不对称半桥反激变换器的模式切换方法，通过改变不对称半桥反激变换器谐振腔位置、单向钳位网络与变压器联接方式、开关检测单元实现方法、模式控制单元、脉冲宽度控制单元及输出电压隔离采样单元实现方法等方式，仍在本发明保护范畴之内。
不对称半桥反激变换器的谐振腔位置、单向钳位网络与变压器联接方式可以有多种不同的组合，申请号为201911352361.1的中国专利和申请号为201910513578.X的中国专利申请中给出了大量的实施例，这些都属于本发明所述的不对称半桥反激变换器的范畴。
第二实施例：
开关检测单元ZE也可以有多种不同的实现方法，包括但不限于以下方式：
图14为优化主开关Q1漏极和源极的电压检测后的开关检测单元电路示意图，具体原理此处不再赘述。本实施例中，开关检测单元仅检测主开关源极电压Vsw，将主开关Q1导通期间的源极电压Vsw，通过采样电阻R1、R2、采样开关K、采样电容C、受控电流源Ibias组成采样保持电路送给比较器的反向输入端，同时通过采样电阻R1、R2将电压送至比较器的同向输入端，模式判断单元MT的输出端Vbias同样作用于受控电流源Ibias，通过调整受控电流源Ibias大小，实现主开关Q1的零电压开通或硬开通，具体工作原理与第一实施例相同，此处不再赘述。
模式控制单元也可以有多种不同的实现方法，包括但不限于以下方式：
方式一：根据变换器的工作频率(即主开关Q的开关频率)进行模式切换，当工作频率低于第一频率设定值且大于等于第二频率设定值时，不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式，主开关恰好实现零电压开通；当工作频率低于第二频率设定值且大于第三频率设定值时，调整开关检测单元的输入电压，不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，主开关Q1为硬开通；当工作频率低于第三频率设定值时，不对称半桥反激变换器工作于突发模式。
方式二：模式控制单元根据接收的负载反馈电压的大小，进行模式切换；
当负载反馈电压小于第一阈值电压且大于等于第二阈值电压时，模式控制单元控制变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；当负载反馈电压小于第二阈值电压且大于第三阈值电压时，模式控制单元控制变换器工作于主开关硬开通模式，变换器工作于主开关硬开通模式时，主开关导通时主开关的漏源极电压不等于零；当负载反馈电压低于第三阈值电压时，不对称半桥反激变换器工作于突发模式。
脉冲宽度控制单元也可以有多种不同的实现方法，包括但不限于以下方式：
(1)当开关检测单元的输出端V5输出为低电平时，则以第一设定步长值逐周期增加辅开关Q2栅极的驱动脉冲的宽度，当开关检测单元的输出端V5输出为高电平时，则以第二设定步长值逐周期减小辅开关Q2栅极的驱动脉冲的宽度，第一设定步长值大于或小于第二设定步长值；
(2)当开关检测单元的输出端V5输出为低电平时，则以固定步长值逐周期增加辅开关Q2栅极的驱动脉冲的宽度，当开关检测单元的输出端V5输出为高电平时，则保持辅开关Q2栅极的驱动脉冲的宽度不变。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种开关电源装置，其特征在于，包括：不对称半桥反激变换器、开关检测单元以及模式控制单元；
所述不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络；
所述开关检测单元与所述主开关连接，所述开关检测单元用于采集所述主开关在开通前一时刻的源极电压和漏极电压，以及用于将所述源极电压和所述漏极电压进行比较并输出一电平信号；
所述模式控制单元分别与所述主开关、所述辅开关、所述单向钳位网络以及所述开关检测单元连接，用于控制所述主开关、所述辅开关和所述单向钳位网络，使得所述不对称半桥反激变换器工作于某种工作模式；
当负载电流小于第一电流设定值且大于等于第二电流设定值时，所述模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当所述负载电流小于第二电流设定值且大于第三电流设定值时，所述模式控制单元根据所述开关检测单元输出的所述电平信号控制所述辅开关的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，所述不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式时，所述主开关导通时所述主开关的漏源极电压不等于零。
2.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于：所述开关检测单元具有采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3、采样电阻R4、采样开关K、采样电容C、比较器、D触发器以及受控电流源；所述比较器的反相输入端通过所述采样开关K与所述采样电阻R1和所述采样电阻R2的连接点连接；所述比较器的同相输入端与所述采样电阻R3和所述采样电阻R4的连接点连接；所述采样电容C的一端与所述比较器的反相输入端连接，所述采样电容C的另一端与地连接；所述受控电流源与所述比较器的反相输入端连接；所述D触发器的输入端与所述比较器的输出端连接。
3.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于：所述开关检测单元具有采样电阻R1、采样电阻R2、采样开关K、采样电容C、比较器、D触发器以及受控电流源；所述比较器的反相输入端通过所述采样开关K与所述采样电阻R1和所述采样电阻R2的连接点连接；所述比较器的同相输入端与所述采样电阻R1和所述采样电阻R2的连接点连接；所述采样电容C的一端与所述比较器的反相输入端连接，所述采样电容C的另一端与地连接；所述受控电流源与所述比较器的反相输入端连接；所述D触发器的输入端与所述比较器的输出端连接。
4.如权利要求2或3所述的开关电源装置，其特征在于：所述模式控制单元内设有模式判断单元，当所述负载电流小于第二电流时，所述模式判断单元输出电压控制信号，使得受控电流源输出相应的电流，所述采样电容C通过所述电流进行放电，使得所述比较器同相输入端电压大于反相输入端电压。
5.如权利要求4所述的开关电源装置，其特征在于：所述负载电流越低，所述模式判断单元输出的所述电压控制信号的电压越高，所述受控电流源输出相应的电流越大。
6.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于：所述源极电压和所述漏极电压进行比较，当所述主开关的源极电压大于或等于漏极电压时，所述开关检测单元输出的电平信号为高电平，所述模式控制单元则以设定的步长逐渐减小所述辅开关栅极的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器负向电流逐渐减小。
7.如权利要求6所述的开关电源装置，其特征在于：当所述主开关的源极电压小于漏极电压时，所述开关检测单元输出的电平信号为低电平，所述模式控制单元则以设定的步长逐渐增加所述辅开关栅极的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器的负向电流逐渐增大。
8.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于：当所述负载电流低于所述第三电流设定值时，所述模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于突发模式。
9.一种开关电源装置，其特征在于，包括：不对称半桥反激变换器、开关检测单元以及模式控制单元；
所述不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络；
所述模式控制单元分别与所述主开关、所述辅开关、所述单向钳位网络以及所述开关检测单元连接，用于控制所述主开关、所述辅开关和所述单向钳位网络，使得所述不对称半桥反激变换器工作于某种工作模式；
当负载电流小于第一电流设定值且大于等于第二电流设定值时，所述模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当所述负载电流小于第二电流设定值且大于第三电流设定值时，通过调整所述开关检测单元的输入电压，使得所述不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式。
10.一种开关电源装置的模式控制方法，所述开关电源装置具有不对称半桥反激变换器，所述不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络，其特征在于，包括：
采集负载电流；
采集所述主开关在开通前一时刻的源极电压和漏极电压，并将所述源极电压和所述漏极电压进行比较并根据比较结果输出一电平信号；
根据所述负载电流控制所述不对称半桥反激变换器的工作模式；
当负载电流小于第一电流设定值且大于等于第二电流设定值时，控制所述不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当所述负载电流小于第二电流设定值且大于第三电流设定值时，根据所述电平信号调节所述辅开关的驱动脉冲的宽度，使得所述不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，所述不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式时，所述主开关导通时所述主开关的漏源极电压不等于零。
11.如权利要求10所述的开关电源装置的模式控制方法，其特征在于：所述主开关的源极电压和漏极电压进行比较，当所述主开关的源极电压大于或等于漏极电压时，所述开关检测单元输出高电平，所述模式控制单元则以设定的步长逐渐减小所述辅开关栅极的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器负向电流逐渐减小；当所述主开关的源极电压小于漏极电压时，所述开关检测单元输出低电平，所述模式控制单元则以设定的步长逐渐增加所述辅开关栅极的驱动脉冲的宽度，使得不对称半桥反激变换器负向电流逐渐增大。
12.一种开关电源装置，其特征在于，包括：不对称半桥反激变换器、开关检测单元以及模式控制单元；
所述不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络；
所述模式控制单元分别与所述主开关、所述辅开关、所述单向钳位网络以及所述开关检测单元连接，用于控制所述主开关、所述辅开关和所述单向钳位网络，使得所述不对称半桥反激变换器工作于某种工作模式；
当负载反馈电压小于第一阈值电压且大于等于第二阈值电压时，所述模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式；
当所述负载反馈电压小于第二阈值电压且大于第三阈值电压时，通过调整所述开关检测单元的输入电压，使得不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，所述不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式时，所述主开关导通时所述主开关的漏源极电压不等于零。
13.一种开关电源装置，其特征在于，包括：不对称半桥反激变换器、开关检测单元以及模式控制单元；
所述不对称半桥反激变换器具有主开关、辅开关、变压器以及单向钳位网络；
所述模式控制单元分别与所述主开关、所述辅开关、所述单向钳位网络以及所述开关检测单元连接，用于控制所述主开关、所述辅开关和所述单向钳位网络，使得所述不对称半桥反激变换器工作于某种工作模式；
当所述主开关的工作频率低于第一频率设定值且大于等于第二频率设定值时，所述模式控制单元控制不对称半桥反激变换器工作于钳位不对称半桥反激模式，主开关恰好实现零电压开通；
当所述工作频率低于第二频率设定值且大于第三频率设定值时，通过调整所述开关检测单元的输入电压，使得不对称半桥反激变换器工作于主开关硬开通模式，所述主开关为硬开通；
当工作频率低于第三频率设定值时，控制不对称半桥反激变换器工作于突发模式。
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